一、膜盒儲(chǔ)箱的技術(shù)要求
膜盒儲(chǔ)箱的材料為304不銹鋼（相當(dāng)于我國(guó)不銹鋼牌號(hào)06Cr19Ni10），其化學(xué)成分及力學(xué)性能見(jiàn)表3-80。產(chǎn)品尺寸為：外徑φ＝562mm，內(nèi)徑ф＝535mm，膜片厚度為0.24mm；它是由數(shù)個(gè)以上完全相同的環(huán)形膜片焊接而成。按設(shè)計(jì)圖樣要求產(chǎn)品要求抗拉強(qiáng)度不低于母材85％還要進(jìn)行氣密性檢測(cè)、伸縮性試驗(yàn)和振動(dòng)性考核。
二、膜盒儲(chǔ)箱制造的難度
膜盒儲(chǔ)箱整個(gè)制造工藝很精細(xì)且復(fù)雜，從鋼板表面平面度到零件加工直至焊接，各個(gè)工序技術(shù)的要求精度都很高，難度都非常大，可以說(shuō)整個(gè)產(chǎn)品在研制過(guò)程中，每道工序都是關(guān)鍵。
對(duì)不銹鋼板表面質(zhì)量要求極高，不允許有任何污點(diǎn)，要求平直如鏡，不允許存在一點(diǎn)凹凸度。在下料后切邊要垂直，不允許有毛刺、倒角、鈍角和銳角。
環(huán)形膜片經(jīng)過(guò)沖壓成型和裁切而成，同樣切邊要保持絕對(duì)垂直，端接頭焊接處兩片環(huán)之間的尺寸不能有明顯的偏差，不然直接導(dǎo)致產(chǎn)生焊接疵病直至無(wú)法施焊。為此專門(mén)設(shè)計(jì)出膜盒膜片沖壓模具和膜片裁切模具，確保了膜片質(zhì)量，為順利焊接打下基礎(chǔ)。
由于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的特殊性，膜片之間是由兩個(gè)相同的環(huán)1和環(huán)2組成，用內(nèi)焊工裝固定，內(nèi)圓焊接采用自熔的端接接頭型式，形成的內(nèi)圓端接接頭組成一個(gè)單組件示意圖如圖3-88所示。兩個(gè)單組件連接在一起用外焊工裝固定進(jìn)行外圓焊接，仍采用自熔的端接接頭型式，形成的外圓端接接頭組成一個(gè)波接，若干個(gè)波接連接形成一個(gè)組件。將組件和連接環(huán)外端焊接成一個(gè)部件，即焊接完成膜盒儲(chǔ)箱其中一段，膜盒儲(chǔ)箱是由若干段組成。從圖中可以看出焊接接頭為端接焊縫，無(wú)法實(shí)施對(duì)接焊縫。這種端接焊縫按理為聯(lián)系焊縫，不能承受較大的載荷，但圖樣技術(shù)還要求端接焊縫抗拉強(qiáng)度不低于母材的85％，給焊接工作帶來(lái)極大的困難，它成為制造該產(chǎn)品中關(guān)鍵中的關(guān)鍵。
三、焊接方法的選擇
膜盒儲(chǔ)箱的焊接量特別大，一段一個(gè)膜盒儲(chǔ)箱的焊縫長(zhǎng)度累計(jì)有150m之多。要求焊縫確保密封無(wú)泄漏，又要保證焊縫成形均勻無(wú)缺陷，還要求焊縫接頭的尺寸滿足設(shè)計(jì)圖樣的要求。膜盒膜片的帶寬窄，與實(shí)際拉伸距離不成比例，在實(shí)際使用中工作行程長(zhǎng)，波節(jié)伸縮試驗(yàn)范圍是設(shè)計(jì)尺寸的25％～77％，每一次拉伸壓縮都會(huì)保留較大的殘余變形，結(jié)構(gòu)實(shí)際工作是在比較嚴(yán)重的塑性變形區(qū)內(nèi)，連接焊縫還會(huì)受到雙向的應(yīng)力作用。膜盒的膜片的材料很薄，根據(jù)結(jié)構(gòu)型式焊接只能采用自熔的端接接頭型式，通常這種端接接頭承載能力差，不可抵御拉伸過(guò)程中膜片之間過(guò)大的角變形。因此對(duì)端接接頭的焊縫提出嚴(yán)格的要求，必須具有足夠的焊縫寬度和熔化厚度，才能保證有足夠的強(qiáng)度和抵御拉伸壓縮過(guò)程中的交變、雙向應(yīng)力。
為了保證端接焊的質(zhì)量，專門(mén)設(shè)計(jì)和制造了膜片焊接工裝夾具、膜片焊接專用精密焊接機(jī)床等相關(guān)工裝夾具及焊接輔機(jī)。
由于膜盒儲(chǔ)箱壁薄、焊縫很長(zhǎng)且焊縫很有規(guī)律（為圓周焊縫），應(yīng)選用不加填充焊絲的自動(dòng)鎢極氬弧焊或自動(dòng)微束等離子弧焊進(jìn)行焊接。曾經(jīng)將選用的這兩種焊接方法所得的焊接接頭經(jīng)外觀檢測(cè)、端接接頭焊縫試樣的力學(xué)性能測(cè)試、金相檢測(cè)和接頭尺寸測(cè)量均能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
自動(dòng)微束等離子弧焊與自動(dòng)鎢極氬弧焊相比，它具有下列優(yōu)點(diǎn)：
1. 微束等離子弧熱量集中、熱功率高、熔池小、焊接熱影響區(qū)小和焊接變形小。
2. 微束等離子弧焊使用的電弧形態(tài)是聯(lián)合弧，即維弧和工作弧同時(shí)存在。在焊接電流很小時(shí)（小于3A），微束等離子弧穩(wěn)定性好，而氬弧焊電弧有時(shí)會(huì)漂移，穩(wěn)定性較差。
3. 小電流電弧挺度好，連續(xù)自動(dòng)焊接時(shí)，等離子弧長(zhǎng)的變化對(duì)焊接質(zhì)量影響不大；這一點(diǎn)與氬弧焊不同，氬弧焊弧長(zhǎng)對(duì)焊縫成形有著直接的影響。
4. 微束等離子弧具有良好的可控性和調(diào)節(jié)性，弧長(zhǎng)的變化對(duì)焊縫成形影響較小。焊縫形狀能保持一致性，重復(fù)再現(xiàn)性好。這一點(diǎn)與氬弧焊不同，氬弧焊弧長(zhǎng)對(duì)焊縫成形影響很大。
5. 微束等離子弧焊焊接參數(shù)比氬弧焊多，除了焊接電流、焊接速度、保護(hù)氣體流量等，還有壓縮氣體的流量、保護(hù)氣體的成分、保護(hù)氣體流量與壓縮氣體流量之比等，這些參數(shù)也直接影響焊縫成形及焊接質(zhì)量。
試驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，采用自動(dòng)鎢極氬弧焊時(shí)，焊縫質(zhì)量的一致性和穩(wěn)定性仍然不足。其中最為突出的缺陷是鋸齒形焊縫（即焊縫不平整，呈凹凸?fàn)睿鼘?dǎo)致焊縫寬度和熔化厚度的不穩(wěn)定，不僅焊縫強(qiáng)度不能在整個(gè)焊縫上保持一致，在工作狀態(tài)時(shí)所承受的應(yīng)力不相同，有可能導(dǎo)致焊趾處形成裂紋。
通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，選用微束等離子弧焊為該產(chǎn)品的焊接方法。在試驗(yàn)初始階段，采用微束等離子弧焊進(jìn)行焊接，由于對(duì)研制的膜盒儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)特性和微束等離子弧焊的特性認(rèn)知不夠，片面強(qiáng)調(diào)焊縫成形均勻、光潔、平整，采用小電流快速度焊接。結(jié)果導(dǎo)致焊接參數(shù)的選擇范圍窄，操作難度大。焊縫沒(méi)有足夠熔寬和熔化厚度，端接接頭的焊縫強(qiáng)度低。最初評(píng)定試驗(yàn)的端接頭的焊縫強(qiáng)度測(cè)定為：350MPa、375MPa、445MPa，均為撕扯性斷裂，斷裂部位在焊縫區(qū)，不符合設(shè)計(jì)圖樣提出的要求。經(jīng)過(guò)充分討論認(rèn)為，要保證膜盒儲(chǔ)箱在伸縮動(dòng)態(tài)且在負(fù)載條件下工作的接頭強(qiáng)度和膜盒儲(chǔ)箱在工作狀態(tài)能承受較大交變角變形及伸縮行程后焊縫仍保持可靠的密封性，端接接頭焊縫必須有足夠的焊縫寬度和熔化厚度。以往片面強(qiáng)調(diào)焊縫成形均勻、光潔、平整不能滿足膜盒儲(chǔ)箱結(jié)構(gòu)的特殊性要求。為此，改變了原焊接試驗(yàn)規(guī)范，在適當(dāng)減小離子弧電流的基礎(chǔ)上，大幅度增加了焊接單位長(zhǎng)度的熱輸入。經(jīng)過(guò)大量重復(fù)性試驗(yàn)，隨機(jī)抽取了17件端接頭強(qiáng)度進(jìn)行測(cè)定，均為510～755 MPa，平均為629MPa，滿足了設(shè)計(jì)圖樣提出的要求。破斷位置均在母材上（焊趾處），不再有焊縫區(qū)斷開(kāi)的情況。但是單純地降低焊接速度、提高單位長(zhǎng)度熱輸入，又會(huì)造成焊縫成形不良，產(chǎn)生鋸齒波焊縫，嚴(yán)重時(shí)其底谷處發(fā)生點(diǎn)孔，甚至?xí)斐珊复僮鬟^(guò)程中極難控制。后經(jīng)過(guò)分析，提高膜片焊接工裝夾具的裝配精度，消除裝配間隙，對(duì)膜片焊接專用精密焊接機(jī)床及相關(guān)工裝夾具及焊接輔機(jī)的壓緊裝置的型面進(jìn)行改進(jìn)、結(jié)合界面進(jìn)行修整，使焊接過(guò)程中的焊接熱量輸入和夾具的散熱循環(huán)均勻一致，從而焊縫減少了產(chǎn)生鋸齒波等缺陷。但焊接規(guī)范偏強(qiáng)，焊縫有時(shí)會(huì)呈現(xiàn)出不太明顯的波浪紋。此不足之處對(duì)焊縫強(qiáng)度性能指標(biāo)沒(méi)有明顯的影響，能滿足設(shè)計(jì)圖樣的要求；對(duì)焊接工藝評(píng)定試件截面進(jìn)行高、低倍金相檢查和焊接接頭區(qū)未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷；焊接接頭尺寸、焊縫寬度和熔化厚度也符合要求。但是為了進(jìn)一步提高焊縫質(zhì)量，滿足產(chǎn)品性能需要，完善工藝穩(wěn)定性和參數(shù)的再現(xiàn)性，減少操作難度。既要焊縫既成形均勻、光潔、平整、杜絕焊縫出現(xiàn)波浪紋等疵病，同時(shí)又要有足夠的焊縫寬度和熔化厚度。在生產(chǎn)研制過(guò)程中又不斷改進(jìn)焊接參數(shù)，工藝上力求精益求精，將原來(lái)微束等離子弧焊工藝改變?yōu)槊}沖微束等離子弧焊，通過(guò)峰值電流、基值電流和脈沖頻率的調(diào)整，取得了穩(wěn)定的焊縫寬度和熔化厚度，消除了焊縫的波浪紋的疵病，其焊接參數(shù)見(jiàn)表3-81。
利用脈沖微束等離子弧焊電弧能量的周期性脈沖變化來(lái)控制焊接熔池，改善焊縫成形，減少缺陷。其優(yōu)點(diǎn)有：
1. 它可以精確地控制膜片焊縫的熱輸入，克服因熔敷金屬表面張力不足難以支持熔池，而造成的焊縫下凹。
2. 可以調(diào)節(jié)熱輸入及膜片焊縫在高溫停留時(shí)間，減小熱裂紋的傾向，同時(shí)也能提高膜盒貯箱端接頭焊縫的耐蝕性。
3. 它對(duì)膜片裝配的波動(dòng)不敏感。能克服膜片裝配帶來(lái)的問(wèn)題，適應(yīng)能力強(qiáng)。
4. 焊縫表面成形美觀，克服以往焊縫存在鋸齒波、谷處的點(diǎn)孔、焊穿、波浪紋等缺陷。
5. 焊縫有很好的一致性，重復(fù)再現(xiàn)性好，降低了操作難度，獲得了穩(wěn)定的端接接頭焊縫質(zhì)量，端接接頭焊縫的力學(xué)性能也得到了提高。
脈沖微束等離子弧焊的焊接參數(shù)主要有焊接電流、峰值電流、基值電流、脈沖頻率、空占比、壓縮氣流量、保護(hù)氣流量、電弧長(zhǎng)度、噴嘴直徑、噴嘴通道比和鎢極的內(nèi)縮量等，它們對(duì)焊縫的形狀和焊接質(zhì)量都有影響。焊接參數(shù)的選擇是通過(guò)正交優(yōu)選試驗(yàn)得到的，優(yōu)選焊的參數(shù)經(jīng)過(guò)小批量工藝試驗(yàn)再次確認(rèn)，在這個(gè)批量中又隨機(jī)抽取樣件做焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)來(lái)認(rèn)定。
對(duì)焊接工藝評(píng)定試件和生產(chǎn)過(guò)程中旁證實(shí)例截面的端接接頭焊縫的內(nèi)部進(jìn)行高、低倍金相檢查，端接接頭的焊縫區(qū)未發(fā)現(xiàn)焊接缺陷；端接接頭的焊縫尺寸、焊縫寬度和熔化厚度等均符合要求，見(jiàn)表3-82。最后對(duì)評(píng)定試件端接接頭焊縫的性能進(jìn)行檢測(cè)，見(jiàn)表3-83，完全滿足設(shè)計(jì)圖樣的技術(shù)要求。
采用脈沖微束等離子弧焊焊接工藝，有很高的焊接穩(wěn)定性和參數(shù)的再現(xiàn)性，易操作。產(chǎn)品通過(guò)設(shè)計(jì)要求的氣密試驗(yàn)、伸縮試驗(yàn)和振動(dòng)試驗(yàn)，均滿足圖樣的設(shè)計(jì)要求，現(xiàn)已批量生產(chǎn)。
